Реферат: Федеральное агентство по образованию

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

________________________________________________________


Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“М А Т И” – Российский государственный технологический

университет им. К.Э. Циолковского

________________________________________________________


Кафедра «Технология обработки материалов потоками высоких энергий»


КУРСОВАЯ РАБОТА


«Радикальное травление»


Преподаватель: Борисов А. М.

Студент: Ананьев А. Н.

Группа: 3ТОМ-V-87


Москва 2006

СОДЕРЖАНИЕ

Механизм………………………………………………………………3

Доставка ХАЧ к поверхности материала, подвергаемого травлению………………………………………………………….7

Отвод продуктов реакции из реакционной зоны…………….8

Системы…………………………………...……………………………8

Скорость…………………………………………………...………….10

Селективность………………………………………………………..10

Равномерность………………………………………………………..11

Влияние на обрабатываемые структуры……………………………..11

Тенденции развития………………………………………………….12

1. Механизм

В основе РТ лежат гетерогенные химические реакции, происходящие на границе двух фаз — твердой и газообразной — между ХАЧ (свободными атомами и радикалами), образующимися при диссоциации молекул рабочего газа и низкотемпературной плазме газовых разрядов, и активными центрами обрабатываемого материала, представляющими собой поверхностные атомы со свободными валентностями. Обрабатываемый материал при РТ находится в зоне, отделенной от плазмы перфорированным металлическим экраном, магнитным полем, расстоянием или другими способами. Такое разделение области плазмы (разрядной области) и области, в которой размещен обрабатываемый материал (реакционной области) не позволяет ионам и электронам достигать поверхности материала и в то же время практически не создает преграды для незаряженных ХАЧ, которые, достигая поверхности обрабатываемого материала, вступают с ним в химическую реакцию с образованием стабильных летучих соединений, удаляемых из реакционной зоны в результате ее непрерывной откачки.

В механизме РТ можно выделить следующие основные стадии:

1) доставка молекул рабочего газа в зону газового разряда;

2) превращение молекул рабочего газа в ХАЧ в плазме газового разряда;

3) доставка ХАЧ к поверхности материала, подвергаемого травлению;

4) взаимодействие ХАЧ с активными центрами материала, включающую в себя хемосорбцию ХАЧ на поверхности материала, химическую реакцию и последующую десорбцию образующихся летучих и стабильных продуктов реакции с поверхности материала;

5) отвод продуктов реакции из реакционной зоны и камеры реактора.

Гетерогенная химическая реакция травления материалов может протекать только в том случае, когда обеспечивается непрерывная доставка ХАЧ к обрабатываемым поверхностям с помощью диффузии, конвекции или молекулярного потока и когда происходит непрерывная обратная диффузия продуктов реакции. Скорость процесса в целом определяется скоростью наиболее медленной стадии.

В НГП концентрация ХАЧ определяется не термодинамическим равновесием, а стационарным состоянием, возникающим вследствие конкуренции процессов образования (генерации) и гибели (рекомбинации) ХАЧ. В общем случае изменение концентрации ХАЧ в элементе объема реактора можно выразить с помощью уравнения непрерывности



где nХАЧ и DХАЧ - концентрация и коэффициент диффузии ХАЧ в элементе объема реактора; Схач, RPEK. Rжp — скорости генерации, рекомбинации и химической реакции ХАЧ в злементе объема реактора; grad = di/dx-±-dj/dy+дk/дz (i, j, к —единичные векторы вдоль осей координат); Uг.п. — скорость газового потока.

Для характеристики влияния потока рабочего на скорость травления материалов может служить фактор использования рабочего газа φ, равный отношению скорости удаления атомов материала с поверхности к потоку молекул рабочего газа на эту поверхность.

При уменьшении φ за счет больших расходов рабочего газа наблюдается эффект неравномерности травления материалов в плазменной зоне связанный с тем, что с ростом расхода газа увеличивается расстояние от начала плазменной зоны, на котором устанавливается постоянная стационарная концентрации ХАЧ.

На основе теоретических и экспериментальных исследований делается вывод, что основным механизмом образования ХАЧ в низкотемпературной плазме является диссоциация молекул рабочего газа под воздействием электронного удара. Диссоциация молекулы электронным ударом возможна как через электронные возбужденные состояния, лежащие выше предела диссоциации, с распадом на нейтральные фрагменты, так и с образованием положительных или отрицательных ионов в результате диссоциативной ионизации или диссоциативного прилипания электрона к молекуле. В настоящее время установлено, что молекулы CF4 в плазме ВЧ-разряда первоначально распадаются с образованием атомарного фтора, радикалов CF3 и ионов СF3+. CF3- и F-, т. е. могут иметь место все указанные выше каналы диссоциации. Однако более 75 % диссоциирующих молекул CF4, распадаются на радикалы CF3- и атомы фтора по схеме:



Будем полагать, что основным каналом генерации фтора и радикалов CF3 служит диссоциация молекул CF4, и, следовательно:



где nэ - концентрация электронов и молекул CF4 в плазменной зоне реактора, k1 - константа скорости реакции, определяемая выражением:



Здесь mэ - масса электрона; σдис(Еэ) - сечение диссоциации; fэ(Eэ) – функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). В электрических разрядах пониженного давления вследствие упругого взаимодействия электронов с молекулами, а также из-за наличия электрических полей ФРЭЭ может существенно отклоняться от максвелловской:



В частности, в сильных электрических полях лучшее согласие с экспериментальными данными дает распределение Дрюйвестайна, возникающее, когда потери энергии электронов происходят только за счет упругих столкновений и длина свободного пробега не зависит от энергии.



где Г — гамма-функция.

Объемная рекомбинация радикалов CF3 и атомов фтора друг с другом в разряде может происходить как при тройных столкновениях:



так и через образование промежуточного активированного комплекса CF4, в котором запас колебательной энергии превышает энергию диссоциации, с последующим тушением при столкновении с третьей частицей:



В обоих случаях при степени диссоциации, меньшей единицы в качестве частицы М наиболее вероятно участие молекулы CF4. Возможность осуществления канала обусловлена тем, что при образовании сложных комплексов часть избытка энергии может быть выделена на внутренние степени свободы, и поэтому время жизни таких комплексов достигает 10-7— 10-11 с, тогда как продолжительность соударения обычно не превышает 10-12 с. Например, время жизни комплекса CHF3*, подобного по числу связей CF4*, меньше или равно 10-10 с.

Образование молекулярного фтора возможно только путем трехчастичной рекомбинации:



Таким образом, рекомбинированные члены можно записать в виде:



а скорость восстановления молекул CF4:



где к2 и k3 - константы скоростей реакций; nм - концентрация «тушащих» частиц.

Диаметр атома фтора составляет 0,144 нм, а вычисление диаметра радикала СF3 дает результат 0.280 нм. Поэтому D=2,12*10-10 м и неизвестными остаются только стационарные концентрации в плазме разряда которые равны между собой. Если начальная концентрация молекул СF4 в плазмохимическом реакторе равна n00, а концентрация молекул CF4 в плазме разряда равна n0, то:



Подставляя одно уравнение в другое, и проводя вычисления, легко получить следующее выражение для скорости рекомбинации радикалов CF3 и атомов фтора в плазме разряда:



Процессы диссоциации молекул CF4 и рекомбинации атомов фтора с радикалами CF3 в плазме разряда приходят в равновесие, поэтому можно приравнять выражения и после преобразования получить уравнение:



где



Решая уравнение предыдущее уравнение, находим:



или, с учетом nХАЧ в предыдущих уравнениях:



Определяя с помощью зондовых, спектроскопических, СВЧ или других методов температуру электронов в плазме разряда, можно по этим формулам найти стационарные концентрации молекул CF4, атомов фтора, радикалов CF3 в плазме заряда.

^ 2. Доставка ХАЧ к поверхности материала, подвергаемого травлению.

В зависимости от давления в реакторе доставка ХАЧ к поверхности материала, подвергаемого травлению может осуществляться за счет молекулярного потока, диффузии, конвекции или совместного действии двух последних процессов. Если характерный размер реактора l много больше длины свободного пробега ХАЧ длины волны, то доставка ХАЧ осуществляется за счет диффузии. Если l меньше длины волны, то ХАЧ доставляются к поверхности молекулярным потоком. В переходной области (когда l равна длине волны ХАЧ) для описания процесса доставки ХАЧ может быть использован метод сложения сопротивлений.

Для того чтобы ХАЧ могли достичь поверхности подложки при РТ, они должны обладать достаточно большим временем жизни. На рисунке приведены зависимости скорости травления кремния от расстояния между подложкой и плазменной зоной в различных газовых смесях. Видно, что скорость травления в смеси SF6-O2 значительно быстрее снижается при удалении подложек от плазменной зоны, чем в смеси CF4-O2, хотя по абсолютному значению скорости в первом случае больше вследствие большего содержания в смеси атомов фтора. Поэтому для получения высоких скоростей РТ целесообразно применять смесь SF6-O2 и располагать подложки близко к зоне плазмы.

Оптимальное содержание О2 в смеси CF4-O2 составляет 30-45%, при этом достигается одновременный максимум Uтр и наименьшее ее падение с удалением подложек от зоны плазмы. На изменение Uтр с удалением подложек от зоны плазмы влияют также материал и размеры реактора, температура стенок, расход рабочего газа и другие факторы, определяющие убыль ХАЧ из-за рекомбинации и химических реакций. По оценкам, проведенным, время жизни атомов фтора в реакторах из нержавеющей стали составляет 3,44 мкс при давлении CF4, 26 Па и 150 мкс при давлении CF4, 5-10-4 Па. Если концентрация ХАЧ у поверхности обрабатываемого материала равна nХАЧ, то скорость химической реакции ХАЧ с поверхностью:



Очевидно, что в диффузионной области микроскопическая кинетика процесса травления материалов ХАЧ будет подчиняться уравнением, которые можно получить, рассматривая только процессы диффузии ХАЧ к обрабатываемой поверхности, и, следовательно, не будет отражать истинной скорости химической реакции на поверхности материала.

^ 3. Отвод продуктов реакции из реакционной зоны

Отвод продуктов реакции из реакционной зоны и реактора определяется режимом, который выбирают из условий эффективной доставки молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда. Однако при рассмотрении стадии отвода продуктов реакции возникают две очень важные проблемы, которые в настоящее время далеки от решения. Одна из них связана с эффективностью преобразования рабочего газа в продукты реакции. Согласно данным исследований, при прохождении через реактор только небольшая доля рабочего газа (несколько процентов) превращается в продукты реакции (при использовании реакторов из материалов, реагирующих с образующимися ХАЧ, доля превращенного рабочего газа может достигать нескольких десятков процентов). Таким образом, встает задача повторного использования отработанного газа. Другая проблема связана с утилизацией или регенерацией образующихся продуктов реакции, созданием реакторов с замкнутым циклом и высоким ресурсом откачных средств.

4. Системы

РТ может осуществляться в реакторах двух типов. К первому типу относятся цилиндрические реакторы с перфорированным цилиндром-вкладышем (реакторы туннельного типа). В таких реакторах зона плазмы окружает зону реакций, и доставка ХАЧ к подложкам происходит за счет диффузии. Второй тип - реакторы, в которых плазменная зона не охватывает реакционную. В этих реакторах можно использовать поток газа из зоны плазмы в реакционную область к обрабатываемым подложкам и затем проводить откачку отработанного газа вакуумной системой.

В таких реакторах обе зоны обычно конструктивно выделены в отдельные камеры. Различие между реакторами внутри каждого типа состоит в расположении элементов, способах загрузки подложек, ввода и откачки газа, возбуждения плазмы.

Цилиндрические реакторы с перфорированным цилиндром широко используются в промышленности, в то время, как реакторы с разделением реакционной и разрядной камер и кассетной загрузкой, появившиеся в конце 60-х годов, не получили широкого распространения. Опыт их использования показал, что основной недостаток таких реакторов - большая не равномерность травления по подложке и в партии вследствие неоднородности распределения активных частиц по диаметру и длине реакционной камеры. Особенно большая неравномерность (50—100%) наблюдается в реакторе, с L-образной конфигурацией. Использование нескольких разрядных камер уменьшает неравномерность до 15—30%, но требует применения мощного ВЧ-генератора и усложняет систему согласования.

Значительное улучшение равномерности (неравномерность до 0,5—1 %) достигается при индивидуальной обработке подложек с расположением их перпендикулярно потоку протекающего через реактор газа. При индивидуальной обработке разрядную камеру можно выполнить в виде отдельного устройства, которое пристыковывается к реакционной камере.

5. Скорость

Скорость РТ зависит от мощности, давления в реакционной и разрядной камерах, однако, при одних и тех же операционных параметрах процесса (плотности мощности, давлении, расходе рабочего газа, температуре и других) всегда меньше скорости ПТ, что связано с рекомбинацией ХАЧ при доставке из плазменной зоны в реакционную и отсутствием стимуляции химических реакций травления заряженными частицами.

На скорость РТ материалов при прочих одинаковых параметрах сильно влияет расход рабочего газа Qp.r. При подаче газового потока параллельно поверхности пластин на зависимостях uтрот Qp.rобычно наблюдается максимум. Увеличение расхода газа сначала приводит к росту скорости травления вследствие повышения концентрации ХАЧ, доставляемых из плазмы, а затем к ее снижению из-за откачки ХАЧ, не успевших вступить в химическую реакцию с материалом подложки. В связи с этим в системах РТ обычно расход рабочего газа составлял 5-100 см3/мин. Однако проведенные и системах PТ с индивидуальной обработкой пластин исследования показали, что в случае подачи газового потока перпендикулярно поверхности пластины, скорость травления увеличивается с ростом расхода газа. Поэтому в последние годы появились системы РТ с индивидуальной обработкой пластин, в которых вакуумные системы позволяют проводить травление при расходе рабочих газов до 1000см3/мин.

6. Селективность

Е


сли при РТ материалов лимитирующей является стадия доставки ХАЧ, то селективность их травления определяется в основном выбором рабочего газа и практически сохраняется при изменении других операционных параметров процесса: мощности электрического разряда, давления, расхода газа. Например, селективность s(SiN4/Si)=10 сохраняется при изменении давления SiF4, от 50 до 150 Па.

Если при РТ материалов лимитирующей служит стадия химической реакции, то селективность их травления зависит также от температуры в процессе обработки. Однако в связи с использованием в большинстве случаев при травлении материалов органических защитных масок, которые не выдерживают температуры больше 120—150° С, возможность регулирования селективности РТ с помощью температуры очень ограниченна.

7. Равномерность

Если при РТ материалов лимитирующей является стадия доставки ХАЧ, то равномерность травления определяется равномерностью доставки ХАЧ к поверхности подложек, которая зависит от организации газового потока и диффузии в реакторе.

Доставка ХАЧ потоком газа имеет преимущество перед диффузионной доставкой вследствие более полного сохранения активных частиц, что увеличивает скорость травления. ХАЧ потоками газа могут быть перенесены на значительные расстояния (до нескольких метров). Концентрация ХАЧ по мере удаления от зоны плазмы падает, соответственно снижается и скорость травления РТ при доставке ХАЧ потоком газа подложки обычно располагают перпендикулярно потоку. В этом случае все участки подложек находятся в одинаковых условиях по отношению к доставке ХАЧ. Требование перпендикулярности подложки потоку особенно важно, если скорость травления резко падает с удалением от зоны плазмы.

Если при РТ материалов лимитирующей является стадия взаимодействия ХАЧ, то для обеспечения равномерности травления необходимо также поддерживать одинаковую температуру всех подложек, причем с тем большей точностью, чем выше энергия активации реакции травления материала.

В связи с отсутствием влияния на равномерность электрических и магнитных полей при РТ можно обеспечить очень высокую равномерность (неравномерность ±1 % по пластине диаметром 100 мм и по партии из 25 таких пластин) обработки, что представляет собой одно из важных достоинств этого процесса по сравнению с другими.

^ 8. Влияние на обрабатываемые структуры

Основное преимущество РТ перед другими процессами вакуумно-плазменного травления заключается в низком уровне радиационного и теплового воздействия на обрабатываемые структуры, что обусловлено вынесением подложек из плазмы, а, следовательно, отсутствием воздействия на их поверхность высокоэнергетических заряженных частиц.

Оценка влияния РТ на тиснение электрофизических параметров границы раздела Si-SiO2 проводилась с помощью С-V характеристик структуры Al-SiO2-Si. Из приведенных на рисунке С-V-характеристик, снятых после РТ, жидкостного химического травления (ЖХТ) и плазменного травления (ПТ), видно, что РТ не вносит дополнительных нарушений по сравнению с ЖХТ, в то время как ПТ вызывает сдвиг и изменение наклона C-V характеристик. Значение плотности поверхностных состояний, получении с помощью расчета из характеристик, для РТ равно2*10-2. Такое же значение имеет плотность поверхностных состояний после ЖХТ. Таким образом, РТ можно эффективно использовать для обработки МДП-структур при изготовлении соответствующих приборов и ИС.

Как показали оже-спектры, поверхности кремния, обработанной в СF4, на ней присутствуют углерод и фтор, причем концентрация углерода (10-60%) значительно больше, чем концентрация фтора (1—1 %). Добавление в рабочий газ кислорода и увеличение его содержания уменьшают загрязнение поверхности кремния углеродом за счет образования летучих соединений СО и СО2.

^ 9. Тенденции развития

РТ подвергаются материалы, которые образуют стабильные летучие соединения с ХАЧ и не требуют при этом активации реакции травления заряженными частицами или физического распыления их поверхности. Число таких материалов ограничено по сравнению с материалами, обрабатываемыми в других вакуумно-плазменных процессах травления. Например, в настоящее время РТ не позволяет обрабатывать алюминий, железо, никель, хром золото, платину. Однако принципиальная возможность РТ этих материалов путем подбора соответствующих рабочих газов сохраняется.

В то же время РТ обладает такими важными достоинствами, как высокая равномерность травления, что особенно важно при обработке подложек диаметром более 100 мм; низкая температура обрабатываемых подложек, позволяющая эффективно использовать электроно-, рентгено- и фоторезистивные маски.

Основными тенденциями дальнейшего развития процессов РТ и оборудования для их реализации являются:

переход от систем с групповой обработкой внутри перфорированного цилиндра к системам с индивидуальной обработкой с источниками радикалов без потери производительности за счет интенсификации процессов травления с помощью больших (до 1000 см3/мин) расходов рабочих газов;

разработка эффективных источников радикалов, работающих в диапазоне давлений 10-1—10-2 Па, для совместного применения с электронными и ионными источниками при реализации процессов радиационно-стимулированного РТ;

расширение ассортимента используемых рабочих газов с целью увеличения числа обрабатываемых материалов, повышения скорости и селективности травления;

использование РТ на заключительных стадиях обработки структур после ПТ, ИТ и ИХТ для удаления нарушенных слоев и очистки поверхностей;

использование РТ для получения элементов ИС с субмикронными размерами в тонких промежуточных слоях многослойных масок.

Литература

[1] Югай К.Н., Скутин А.А., Сычев С.А. и др. // СФХТ. 1994. T. 7. N 6. C. 1026-1032.

[2] Жданов В.П. Элементарные физико-химические процессы на поверхности. М.: Мир, 1988. 318 с.

[3] Скутин А.А., Сычев С.А., Тихомиров В.В., Югай К.Н. Авторское свидетельство N 1823732, 12.10.92.

[4] Bonner W.D., Titus A.C. // J. Am. Chem. Soc., 52,634 (1930).

[5] Таблицы физических величин / Под ред. И.К.Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 199 с.

[6] Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 255 с.